#9. 음극활물질의 역사

1) 음극활물질의 역할

리튬이차전지의 방전시 음극활물질에서는 자발적인 산화반응이 일어나고, 양극활물질에서는 자발적인 환원반응이 일어난다. 방전과정에서 음극활물질은 전자와 리튬 이온을 제공하고 스스로 산화반응을 하며, 양극활물질은 전자와 리튬 이온을 제공받아 스스로 환원반응을 한다. 결과적으로 음극은 충전과정에서 리튬이온을 저장하게 되고, 방전과정에서는 리튬이온을 방출하게 된다. 음극활물질이 갖추어야 할 조건으로는 크게 7가지가 있다. 

2) 음극활물질 요구 조건

- 낮은 표준전극전위를 가져서 Full cell을 구성할 때 셀의 높은 전압을 제공해야 한다.

- 리튬이온과의 반응에 따른 구조변화가 적어야 한다.

- 리튬이온과의 반응 가역성이 높아야 한다.

- 전극 활물질내에서 리튬이온의 확산속도가 빨라야 한다.

- 전기전도도가 높아 전기화학반응시 전자의 이동이 용이해야 한다.

- 높은 전극밀도를 얻기 위해 음극활물질의 밀도가 높아야 한다. 

- 단위 중량당 저장할 수 있는 전기량이 많아야 한다. 

3) 리튬 금속

리튬금속은 이온화 경향이 높고, 체심입방정의 결정구조를 가지며, 원자량이 작고 낮은 밀도로 표준 전극전위가 매우 낮아 비용량이 약 3860 mAh/g으로 매우 높다. 그러나 리튬금속은 리튬 수지상 성장에 의한 전지의 내부 단락등에 따른 안전성의 문제로 상용화되지 못하고 있다. 이를 해결하기 위하여 리튬금속 표면의 고분자 또는 무기물 피막 등 전기화학적으로 안정한 물질로 피복하여 표면을 안정화 시키려는 연구가 진행되고 있지만 아직 해결해야 할 문제점이 많이 남아 있다.

4) 탄소재 (흑연)

흑연결정은 탄소 원자가 육각평면으로 서로 결합하여 탄소육각망면이 형성되고, 이 탄소 망면 상하에 위치하는 전자가 이들 망면을 결합시킴으로써 얻어진다. 탄소 육각망면 사이를 비교적 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 흑연의 전자 전도성이 우수하다. 이러한 흑연 층간을 결합하고 있는 결합은 약한 반데르발스 결합을 이루지만, 탄소 육각망면 안의 결합은 매우 강한 공유결합으로 이루저져 이방적 성질을 나타낸다. 리튬이온은 이 흑연층 사이로 삽입 및 탈리하게 된다. 

5) 비정질 탄소 

비흑연계 탄소는 탄소원자로 구성된 육각망목면의 크기가 작고, 적층 성장이 잘 발달되지 못하여 무질서한 구조를 가지며, 육각 망목면으로 구성된 미세결정자들이 서로 엉켜 있거나 이런 미세결정자들이 비정질상과 혼합되어 있는 구조를 나타낸다. 결정자의 크기가 매우 작으며, 전구체가 구조적으로 매우 무질서해 2500도 이상의 고온 소성 조건에서도 흑연화를 위한 결정구조 재배열이 어렵다. 한편 흑연화가 용이한 이흑연화성 탄소의 경우 흑연층 평면들이 비교적 서로 평행하게 배열되는 구조를 가지고 있기 때문에 결정화를 통한 흑연화가 용이하다. 일반적으로 원료나 탄화공정에 따라 생성되는 탄소재가 다르지만 탄소 결정자의 크기는 열처리 온도에 따라 점차 증가하는 경향을 보인다.